阳离子通道

阳离子通道（英文：Cation Channel），是一类广泛存在于生物细胞膜（包括质膜和细胞器膜）上的跨膜蛋白，能选择性地允许带正电荷的离子（如钠离子 Na⁺、钾离子 K⁺、钙离子 Ca²⁺、氢离子 H⁺ 等）被动地顺其电化学梯度跨膜流动。它们是细胞电信号产生、传导与调节的分子基础，也是维持细胞离子稳态、容积、兴奋性及信号转导的关键元件。

分类

阳离子通道的分类方式多样，主要依据其门控机制（即控制通道开放和关闭的刺激类型）和离子选择性。

按门控机制分类

1. 电压门控阳离子通道

   • 门控信号： 膜电位的变化。

   • 功能： 是动作电位产生和传导的核心。

   • 主要成员：

     • 电压门控钠通道： 介导动作电位的快速上升相。

     • 电压门控钾通道： 介导动作电位的复极化及设定静息电位。

     • 电压门控钙通道： 介导钙离子内流，触发神经递质释放、肌肉收缩、基因表达等。

2. 配体门控阳离子通道

   • 门控信号： 特异性化学物质（配体）的结合。

   • 功能： 介导快速的化学突触传递。

   • 主要成员：

     • 兴奋性神经递质受体： 如谷氨酸受体中的 AMPA受体、NMDA受体（对Na⁺、K⁺、Ca²⁺通透），以及乙酰胆碱受体 的烟碱型亚型。

     • 嘌呤能受体（如P2X受体）。

3. 机械门控阳离子通道

   • 门控信号： 膜张力的改变（如牵拉、剪切力、声波振动）。

   • 功能： 介导触觉、听觉、本体感觉及血管压力调节。

   • 代表成员： Piezo通道家族（哺乳动物中关键的机械感受通道）。

4. 温度门控阳离子通道

   • 门控信号： 温度变化。

   • 功能： 介导温度感知。

   • 代表成员： TRP通道家族中的多个成员（如TRPV1感知热和辣椒素）。

5. 缝隙连接通道

   • 门控信号： 细胞间连接。

   • 功能： 允许离子和小分子在相邻细胞间直接传递，实现电耦联和代谢耦联。

6. 内向整流钾通道

   • 门控机制： 兼具电压依赖性和胞内物质（如Mg²⁺、多胺）调控。

   • 功能： 维持静息电位，调节细胞兴奋性。

按离子选择性分类

• 钠选择性通道（如电压门控钠通道，ENaC）

• 钾选择性通道（如电压门控钾通道，内向整流钾通道）

• 钙选择性通道（如电压门控钙通道，RyR受体）

• 非选择性阳离子通道（如某些TRP通道、NMDA受体、环核苷酸门控通道）

结构与工作原理

• 基本结构： 通常由多个跨膜亚基（或结构域）围绕形成一个中央的亲水性孔道。决定离子选择性的关键部位是孔道内最狭窄的选择性过滤器，其氨基酸残基的几何结构和电荷分布决定了允许哪些离子通过。

• 门控机制： 通道蛋白在关闭、开放和失活等多种构象状态间转换。门控信号（如电压变化、配体结合）通过改变蛋白质构象，从而打开或关闭孔道。

生理功能

1. 产生和传导电兴奋： 在神经、肌肉和分泌细胞中产生动作电位和局部电位。

2. 突触传递： 介导化学突触和电突触的信号传递。

3. 感觉转导： 将光、声、机械力、温度、化学刺激转化为电信号。

4. 维持离子稳态与细胞容积。

5. 调控细胞内钙信号： 钙离子作为第二信使，调节肌肉收缩、基因转录、递质释放等多种生命活动。

6. 激素和神经递质分泌。

临床意义

阳离子通道的功能异常（通道病）与多种人类疾病密切相关：

• 神经系统： 癫痫、偏头痛、共济失调、神经性疼痛、自闭症（与钠、钾、钙通道基因突变相关）。

• 心血管系统： 长QT综合征、Brugada综合征、家族性心房颤动、高血压（与钾、钠、钙通道相关）。

• 肌肉系统： 周期性麻痹、肌强直、恶性高热（与钠、钙、氯通道相关）。

• 感觉系统： 先天性痛觉不敏感、遗传性听力损失（与钠、机械敏感通道相关）。

• 肾脏： 假性醛固酮减少症（与ENaC通道相关）。

• 代谢： 新生儿糖尿病（与KATP通道相关）。

此外，阳离子通道是药物作用的重要靶点。局部麻醉药、抗心律失常药、抗癫痫药、降压药等均通过调节特定阳离子通道的功能发挥作用。

参考文献

1. Hille, B. (2001). Ion Channels of Excitable Membranes (3rd ed.). Sinauer Associates. （离子通道领域的经典教科书）

2. Catterall, W. A. (2010). Ion channel voltage sensors: structure, function, and pathophysiology. Neuron, 67(6), 915-928.

3. Coste, B., Mathur, J., Schmidt, M., et al. (2010). Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science, 330(6000), 55-60.

4. Ashcroft, F. M. (2006). From molecule to malady. Nature, 440(7083), 440-447.

5. Yu, F. H., & Catterall, W. A. (2004). The VGL-chanome: a protein superfamily specialized for electrical signaling and ionic homeostasis. Science's STKE, 2004(253), re15.